Refracción de la luz: elementos, leyes y experimento
La refracción de la luz es el fenómeno óptico que se produce cuando la luz incide oblicuamente sobre la superficie de separación de dos medios con distinto índice de refracción. Cuando esto sucede la luz cambia su dirección y su velocidad.
La refracción se produce, por ejemplo, cuando la luz pasa del aire al agua, ya que esta tiene un índice de refracción menor. Es un fenómeno que se puede apreciar perfectamente en la piscina, al observar como las formas del cuerpo bajo el agua parecen desviarse respecto a la dirección que deberían tener.
Se trata de un fenómeno que afecta a distintos tipos ondas, aunque el caso de la luz es el más representativo y el que más presencia tiene en nuestro día a día.
La explicación a la refracción de luz la ofreció el físico holandés Willebrord Snell van Royen, quien estableció una ley para explicarla que ha pasado a conocerse como Ley de Snell.
Otro de los científicos que prestó especial atención a la refracción de la luz fue Isaac Newton. Para estudiarla creó el famoso prisma de vidrio. En el prisma, la luz penetra en él por una de sus caras, refractándose y descomponiéndose en los distintos colores. De este modo, a través del fenómeno de refracción de la luz probó que la luz blanca está compuesta por todos los colores del arcoiris.
Índice del artículo
- 1 Elementos de la refracción
- 2 Leyes de la refracción
- 3 Experimentos
- 4 La refracción de la luz en el día a día
- 5 Referencias
Los principales elementos que se deben considerar en el estudio de la refracción de la luz son los siguientes:
-El rayo incidente, que es el rayo que incide de forma oblicua sobre la superficie de separación de los dos medios físicos.
-El rayo refractado, que es el rayo que atraviesa el medio, modificando su dirección y su velocidad.
-La recta normal, que es la línea imaginaria perpendicular a la superficie de separación de los dos medios.
-El ángulo de incidencia (i), que se define como el ángulo que forman el rayo incidente con la normal.
-El ángulo de refracción (r), que se define como el ángulo que forma la normal con el rayo refractado.
-Además, también se debe considerar el índice de refracción (n) de un medio, que es el cociente de la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio.
n = c/v
A este respecto, conviene recordar que la velocidad de la luz en el vacío toma el valor de 300.000.000 m/s.
Los índices de refracción de la luz en algunos de los medios más comunes son:
A menudo se hace referencia a la Ley de Snell como la ley de la refracción, pero lo cierto es que se puede decir que las leyes de la refracción son dos.
El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en el mismo plano del espacio. En esta ley, deducida también por Snell, se aplica también la reflexión.
La segunda la ley de la refracción o ley de Snell, viene determinada por la siguiente expresión:
n1 sen i = n2 sen r
Siendo n1 el índice de refracción del medio del que procede la luz; i el ángulo de incidencia; n2 el índice de refracción del medio en el que se refracta la luz; r el ángulo de refracción.
A partir del principio del tiempo mínimo o principio de Fermat, se pueden deducir tanto las leyes de la reflexión como las leyes de la refracción, que acabamos de ver.
Este principio afirma que la trayectoria real que sigue un rayo de luz que se desplaza entre dos puntos del espacio es aquella que requiere el menor tiempo para recorrerla.
Algunas de las consecuencias directas que se deducen de la expresión anterior son:
a) Si n2 > n1 ; sen r sen i o sea r i
De modo que cuando un rayo de luz pasa de un medio con menor índice de refracción a otro con mayor índice de refracción, el rayo refractado se acerca a la normal.
b) Si n2 n1 ; sen r > sen i o sea r > i
De modo que cuando un rayo de luz pasa de un medio con mayor índice de refracción a otro con índice menor, el rayo refractado se aleja de la normal.
c) Si el ángulo de incidencia es nulo, entonces el ángulo del rayo refracción también lo es.
Otra de las importantes consecuencias de la ley de Snell es lo que se conoce como ángulo límite. Se denomina así al ángulo de incidencia que corresponde a un ángulo de refracción de 90º.
Cuando esto sucede el rayo refractado se desplaza rasante con la superficie de separación de los dos medios. A este ángulo también se le denomina ángulo crítico.
Para ángulos superiores al ángulo límite, se produce el fenómeno que se denomina reflexión interna total. Cuando esto ocurre no se produce refracción, ya que todo el haz de luz es reflejado internamente. La reflexión interna total únicamente tiene lugar cuando se pasa de un medio con un índice de refracción mayor a un medio con índice de refracción menor.
Una aplicación de la reflexión interna total es la conducción de la luz a través de la fibra óptica sin que tengan lugar pérdidas de energía. Gracias a ella, podemos disfrutar de las altas velocidades de transferencia de datos que ofrecen las redes de fibra óptica.
Un experimento muy básico para poder observar el fenómeno de la refracción consiste en introducir un lápiz o un bolígrafo en un vaso lleno de agua. Como consecuencia de la refracción de la luz, la parte del lápiz o bolígrafo sumergida aparece ligeramente quebrada o desviada con respecto a la trayectoria que cabría esperar que tuviera.
También se puede probar a hacer un experimento similar con un puntero láser. Eso sí, es necesario verter unas gotas de leche en el vaso de agua para mejorar la visibilidad de la luz del láser. En este caso, es recomendable que el experimento se lleve a cabo en condiciones de poca luz para apreciar mejor la trayectoria del haz de luz.
En ambos casos, es interesante probar con distintos ángulos de incidencia y observar cómo varía el ángulo de refracción según estos cambian.
Las causas de este efecto óptico hay que buscarlas en la refracción de la luz que provoca que la imagen del lápiz (o el haz de luz del láser) aparezca desviada bajo el agua con respecto a la imagen que vemos en el aire.
La refracción de la luz se puede observar en multitud de situaciones de nuestro día a día. Algunas ya las hemos nombrado, otras te las comentamos a continuación.
Una consecuencia de la refracción es que las piscinas parecen ser menos profundas de lo que en realidad son.
Otro efecto de la refracción es el arcoiris que se produce porque la luz se refracta al atravesar las gotas de agua presentes en la atmósfera. Es el mismo fenómeno que tiene lugar cuando un haz de luz atraviesa un prisma.
Otra consecuencia de la refracción de la luz es que observemos el ocaso del Sol cuando ya han pasado varios minutos desde que realmente sucedió.
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